CN111371711B - 一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法 - Google Patents

一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其包括以下步骤：步骤一：信息发送端发送数据，信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理，将接收信号变频至零中频信号；步骤二：信道估计，消除导致信号畸形的影响因素；步骤三：频偏估计，设计两组PN并且间隔固定时间，利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度，通过计算角度差和时间差得到频偏；步骤四：信号捕获和帧同步，采用两级匹配滤波器完成信号捕获与帧同步；步骤五：GMSK解调和LDPC解码，获得信息。本发明采用GMSK调制解调技术，利用两个独立的PN短码和LDPC编码替代了导频+帧头+校验码，确保接收机在极短的时间下能够完整、可靠的接收到数据。

Description

一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，特别适合用于在低占空比、高动态环境下的快速捕获与同步。
背景技术
随着网络化数据链以及物联网潮流的兴起，在实际中一个通信系统希望能够容纳尽可能多的通信单元，而且需要保证单元之间能够迅速组网，实时通信。那这种通信系统就希望其链路层能够尽可能的简单、可靠而且高效的进行通信，而且希望占空比越小越好。但是占空比越小，意味接收机漏警概率越大，即通信的可靠性越差。尤其在实际应用中大部分信道属于高动态环境，如何解决这两者之间的矛盾成为无线猝发通信的难点。目前大部分猝发通信体制中，为了保证通信可靠，都需要发送导频+帧头+校验码，这些都占用了宝贵的时间开销，增大了通信占空比，不利于多节点使用。因此，在不影响通信可靠性的前提下，应采取新的方法来尽可能的提高通信效率，降低发送占空比，提高系统容量。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，解决猝发通信中在低占空比下接收机如何可靠通信的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其包括以下步骤：
步骤一：信息发送端发送数据，信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理，将接收信号变频至零中频信号；
步骤二：信道估计
将导致信号畸形的影响因素叠加形成一个整体的信道响应C0(t)，在本地估计出一个信道冲激响应
Figure BDA0002412211990000021
然后用
Figure BDA0002412211990000022
的共轭
Figure BDA0002412211990000023
乘以接收信号，以消除C0(t)的影响；
步骤三：频偏估计
设计两组PN并且间隔固定时间，利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度，通过计算角度差和时间差得到频偏；
步骤四：信号捕获和帧同步
采用两级匹配滤波器完成信号捕获与帧同步；
步骤五：GMSK解调和LDPC解码，获得信息。
其中，所述步骤一中，信息发送端发送的数据中，将128bit的信息划分为一个基础数据帧，进行(128，256)LDPC编码，编码完成后为256bit；然后对256bit进行分块划分，拆成三份，相邻块之间插入相同长度的PN；最后在首尾分别加入前缀和后缀。
其中，所述步骤一中，拆成三份，分别是64bit、128bit、64bit。
其中，所述步骤一中，256bit拆成的三份中，将两个长度40bit的PN插入其中。
其中，所述步骤一中，在首尾分别加入3bit0作为前缀和后缀。
其中，所述步骤二中，设接收信号为r(t)＝In*C0(t)，则与本地
Figure BDA0002412211990000024
作相关，即
Figure BDA0002412211990000025
其中，所述步骤三中，符号速率为10Mbps，PN码长40bit，两个PN产生的自相关矢量间隔为168bit，此时如果矢量角度差为
Figure BDA0002412211990000026
则根据
Figure BDA0002412211990000027
则计算出频偏f。
其中，所述步骤四中，两级匹配滤波器中，第一级匹配滤波器采用PN匹配滤波器，对接收信号进行PN相关计算，生成自相关矢量，进行平方和得到相关峰，将得到的相关峰送入第二级匹配滤波器；第二级匹配滤波器设定一个阈值，如果相关峰大于该阈值，则置1，否则置0，然后送入168级的移位寄存器，如果移位寄存器的输入与输出同时为1，则说明帧头捕获，此时，由于PN码位置在帧中固定，一旦完成帧同步，符号同步也同时完成。
其中，所述步骤五中，GMSK解调采用准相干解调法，根据Laurent分解原理，将GMSK信号分解为多个PAM信号的和。
其中，所述步骤四中，阈值设定时，首先将阈值降低到信息接收端接收机灵敏度以下，并将接收机将接收并解调的数据送入LDPC解码，是否能够成功解码作为判定依据，如果解码失败，意味着数据无效，则判定为虚警，直接抛弃；如果解码成功，则数据有效。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，采用GMSK调制解调技术，利用两个独立的PN短码和LDPC编码替代了导频+帧头+校验码，确保接收机在极短的时间下能够完整、可靠的接收到数据。
附图说明
图1是本发明完整的帧格式。
图2是本发明方法的流程图。
图3是本发明的PN匹配滤波器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图2所示，本发明无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法包括以下过程：
首先，信息发送端发送数据，信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理，将接收信号变频至零中频信号。
在信息发送端，将128bit的信息划分为一个基础数据帧，进行(128，256)LDPC编码，编码完成后为256bit。
然后对256bit进行分块划分，在本设计中将256bit拆成三份，分别是64bit、128bit、64bit，将两个长度40bit的PN插入其中。
最后根据GMSK调制的特点，在首尾分别加入3bit0作为前缀和后缀。完整的帧格式见图一所示。
在信息接收端，首先将接收信号下变频至零中频信号，为了实现快速捕获与同步，需要利用两组PN进行信道估计、频偏估计、信号捕获和帧同步，再利用LDPC码进行虚警排除。
信道估计
信道估计是接收机工作的第一步。由于本系统采用GMSK调制技术，GMSK属于部分相应的CPM调制，其特点是相位连续，恒包络，调制带宽窄，但是自身带有码间串扰，再加上无线信道衰落带来的影响，导致接收机收到的信号产生畸形，如果不作处理将严重影响接收性能。为了有效消除信号畸形，可以将上述各个因素的影响叠加看成一个整体的信道响应C0(t)，只要在本地估计出一个信道冲激响应
Figure BDA0002412211990000041
然后用
Figure BDA0002412211990000042
的共轭
Figure BDA0002412211990000043
乘以接收信号，就可以消除C0(t)的影响。在本发明中利用PN良好的自相关性，假设接收信号为r(t)＝In*C0(t)则与本地
Figure BDA0002412211990000044
作相关，即
Figure BDA0002412211990000045
可见
Figure BDA0002412211990000046
近似等于C0(t)。
而
Figure BDA0002412211990000047
又是PN自相关的值，还可以作为后续频偏估计和信号捕获使用。
频偏估计
本发明设计两组PN并且间隔固定时间，可以利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度，通过计算角度差和时间差得到频偏。按照本发明设定的参数举例：符号速率为10Mbps，PN码长40bit,两个PN产生的自相关矢量间隔为168bit,即间隔16.8us，此时如果矢量角度差为
Figure BDA0002412211990000048
则根据
Figure BDA0002412211990000049
就可以计算出频偏f。
信号捕获和帧同步
为了能够成功的捕获到信号以及完成同步，在本发明中采用了两级匹配滤波器的结构来实现上述目的，如图3所示，第一级采用普通的PN匹配滤波器，作用是对接收信号进行PN相关计算，生成自相关矢量，一面为信道估计和频偏估计使用，另一面进行平方和得到相关峰。将得到的相关峰送入第二级匹配滤波器。第二级匹配滤波器设定一个阈值，如果相关峰大于该阈值则置1否置0，然后送入168级的移位寄存器，如果移位寄存器的输入与输出同时为1则说明帧头捕获。此时完成了信号捕获与帧同步。由于PN码位置在帧中固定，一旦完成帧同步，符号同步也同时完成。
当捕获和同步完成之后，主要的工作在于GMSK解调和LDPC解码，在本发明中都是利用了成熟的算法加以实现，在本文中不作重点介绍，仅简述如下。
GMSK信号的准相干解调算法是根据Laurent分解原理，将GMSK信号分解为多个PAM信号的和，这种解调算法不需要恢复相干载波，通过采用信道估计匹配滤波的方法进行解调，与最佳相干MLSE解调算法相比，其性能损失不大，但算法的复杂性和运算量大大降低。
LDPC(Low Density Parity Check)码是一种性能优秀的线性分组纠错码，在用非常稀疏的校验矩阵与基于BP的译码算法的条件下具有逼近Shannon限的性能。LDPC优异的纠错性能特别适合于无线通信系统。本发明利用已有的LDPC解码器完成解码工作，通过校验矩阵实现了信息校验功能，并且得到了极高的系统性能。
虚警排除
根据阈值设定来判定相关峰是否有效存在一个矛盾，如果阈值过低，容易产生虚警，如果阈值过高，则容易产生漏警。在高动态环境下正确的阈值将在一定范围内浮动，跟踪这个的浮动的阈值十分困难。为解决这个难题，本发明采用低阈值，然后再用LDPC码校验的方法。首先将阈值降低到接收机灵敏度以下，这样只要有用信号电平大于灵敏度电平，就可以确保不会产生漏警；但是此时有可能产生虚警，此时接收机将接收并解调的数据送入LDPC解码器，由解码器是否能够成功解码作为判定依据，如果解码失败意味着数据无效则判定为虚警，直接抛弃。如果解码成功则数据有效。
本发明利用PN短码达到4个目的：1、供捕获产生相关峰，相当于导频。2、两组不同的PN相对位置固定，通过两个相关峰位置产生帧同步，相当于帧头。3、作为信道估计使用，辅助完成数据解调。4、通过计算两组PN码的矢量角度，计算收发频偏。
LDPC码有两个作用：1、作为纠错编码，具有良好的编码增益，可以将接收机的解调门限降低到4dB以下，提高了接收机灵敏度。2、LDPC码天然具有校验码属性，可以代替校验码。
由上述技术方案可以看出，本发明利用PN和LDPC码，一方面可以提高接收机的性能，另一方面也可以显著减少一帧信息的额外开销，保证在降低占空比的同时，也能确保接收机的可靠性。在本发明的案例中，采用128bit为一个信息帧，长选取两个40bitPN码，当符号速率为10Mbps时，发送完整的一帧数据时间仅为35us，接收机丢帧率小于1‰。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：信息发送端发送数据，信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理，将接收信号变频至零中频信号；
步骤二：信道估计
将导致信号畸形的影响因素叠加形成一个整体的信道响应C0(t)，在本地估计出一个信道冲激响应
Figure FDA0003759793630000011
然后用
Figure FDA0003759793630000012
的共轭
Figure FDA0003759793630000013
乘以接收信号，以消除C0(t)的影响；
步骤三：频偏估计
设计两组PN并且间隔固定时间，利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度，通过计算角度差和时间差得到频偏；
步骤四：信号捕获和帧同步
采用两级匹配滤波器完成信号捕获与帧同步；
步骤五：GMSK解调和LDPC解码，获得信息；
所述步骤三中，符号速率为10Mbps，PN码长40bit，两个PN产生的自相关矢量间隔为168bit，此时如果矢量角度差为
Figure FDA0003759793630000014
则根据
Figure FDA0003759793630000015
则计算出频偏f；
所述步骤四中，两级匹配滤波器中，第一级匹配滤波器采用PN匹配滤波器，对接收信号进行PN相关计算，生成自相关矢量，进行平方和得到相关峰，将得到的相关峰送入第二级匹配滤波器；第二级匹配滤波器设定一个阈值，如果相关峰大于该阈值，则置1，否则置0，然后送入168级的移位寄存器，如果移位寄存器的输入与输出同时为1，则说明帧头捕获，此时，由于PN码位置在帧中固定，一旦完成帧同步，符号同步也同时完成；
所述步骤一中，信息发送端发送的数据中，将128bit的信息划分为一个基础数据帧，进行(128，256)LDPC编码，编码完成后为256bit；然后对256bit进行分块划分，拆成三份，相邻块之间插入相同长度的PN；最后在首尾分别加入前缀和后缀。
2.如权利要求1所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤一中，拆成三份，分别是64bit、128bit、64bit。
3.如权利要求2所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤一中，256bit拆成的三份中，将两个长度40bit的PN插入其中。
4.如权利要求3所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤一中，在首尾分别加入3bit0作为前缀和后缀。
5.如权利要求4所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤二中，设接收信号为r(t)＝In*C0(t)，则与本地PN
Figure FDA0003759793630000021
作相关，即
Figure FDA0003759793630000022
6.如权利要求5所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤五中，GMSK解调采用准相干解调法，根据Laurent分解原理，将GMSK信号分解为多个PAM信号的和。
7.如权利要求6所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤四中，阈值设定时，首先将阈值降低到信息接收端接收机灵敏度以下，并将接收机将接收并解调的数据送入LDPC解码，是否能够成功解码作为判定依据，如果解码失败，意味着数据无效，则判定为虚警，直接抛弃；如果解码成功，则数据有效。
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